高分辨率光频域反射计的发展和应用.doc

高分辨率光频域反射计的发展和应用1引言光频域反射计(OFDR)、光时域反射计(OTDR)和光学相干域反射计(OCDR)作为精确的测量方法已被广泛应用于从工程学到医学的各个领域。OTDR是通过分析后向反射光的时间差和光程差之间的关系来进行测量的，它的分辨率依赖于光源的脉冲宽度。OCDR和OFDR都是通过用宽带光源进行层析而得到非常高的分辨率的。其中，OFDR因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。OTDR是目前较为普遍的测量方法，但由于它的分辨率依赖于光源的脉冲宽度，因此只适合于较长距离的测量，同时它的分辨率也比OFDR的差。比如，MW9076型OTDR在用于测量10 km左右的光纤时，所需要的脉冲宽度为l0 ns，空间分辨率为=0.1 m。而在2000年，KoichiroNakamura用FSF激光器作为光源，得到了分辨率为20mm、测量量程为18.5km的OFDR系统.由此可见，OFDR技术的分辨率达到了cm量级，比OTDR的精确。因此OFDR技术的发展和应用前景相当广阔。2基本原理OFDR系统(结构见图l)是基于光源扫频和光外差探测等原理建立的高分辨率测量系统。它的分辨率和测量量程主要取决于光源的调频调制方式和光外差探测的分辨率。下面主要介绍光源调制方式和光外差探测的原理和方法。2.1光源的调制方式OFDR系统的光源需要一定的频率啁啾，但为了方便OFDR系统的商业化应用，大部分实验系统都是采用半导体激光器作为光源，然后再运用各种方法对光源进行频域调制的。光源频域调制结果的好坏会直接影响整个系统的分辨率和测量范围，因此光源的调制是OFDR系统中最重要的一个环节。图2所示为众多方法中一种较为成功的光源调制方式，该调制方式采用声光调制技术。光源扫频后的输出特性如图3所示，其中是声光调制的声波频率；为光子在腔内的往返时间；为斜率。运用这种调制方式，能够得到较高的分辨率和较大的测量范围。较为常用的光源为DBR激光器(分布式布拉格反射激光器)。其中最具代表性的是SSG-DBR激光器。Takuji Amano等采用这种光源做出了高分辨率的OFDR系统，他们采用的激光器的调制波长范围为1533nm-1574nm，扫频速率达到0.01nm/us。OFDR技术的光频域探测也是影响整体分辨率的一个关键部分，其探测部分采用的是光外差探测方法。光外差探测是一种全息探测技术，具有转换增益高、分辨率高和滤波性能好等优点。光频外差探测所用的探测器，只要光谱响应和频率响应合适，原则上和直接探测所用的光电探测器相同。因为光频外差探测基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应，所以光频外差探测也常常被称为光波的相干探测。2.2光外檫探测如图1的系统结构图所示，光外差探测是基于迈克尔逊干涉原理的一种探测方法，光源输出的线性调频光束被分光镜分为两束光，其中一束光经固定反射器之后，再经分光器射向光电探测器，其频率为，称为参考光；另一束光经藕合器注人光纤，再经反射或散射返回，其频率为，称为信号光。信号光经分光镜射向光电探测器.两束光在光敏面上发生干涉，光电探测器只响应差频(-)分量，亦称为中频。于是输出差频分量的光电流，经过信号处理，便可测出中频的值。以FSF激光器为例，根据激光器的输出特性(见图3)，可以知道信号光和参考光的路程差为式中，n为光纤的折射率，为声光调制的声波频率，为光子在腔内的往返时间。知道了路程差，则所要探测的距离即可得到。而该系统的空间分辨率为该系统的最大量程为式中，为光源频率啁啾。由上式可知，当增大光源频率调啾时，可以提高系统的分辨率，测量量程也将增大。正是因为这样，OFDR技术吸引了越来越多学者的关注.3发展现状和应用OFDR主要有三种应用：光通信网络诊断、集成光路诊断和层析技术.这些应用的差别在于它们对OFDR系统的要求不同，而其技术差别主要在于光源部分的调制方式不同。在层析技术中应用时，要求测量量程为几个毫米，测量精度为几十个微米。Gofubovic等用高速波长可调掺镁橄榄石晶体激光器作为光源，组建了一个高分辨率的OFDR系统，它的分辨率为15，测量量程为毫米量级。S.H.Yun等人验证了一种分辨率达到13.5的OFDR系统。为寻求OFDR系统的商业化，国外许多研究单位对采用半导体激光器作为光源的OFDR系统进行了研究和探讨。他们尝试用各种方法对半导体激光器光源进行频域调制，以达到OFDR系统的要求，比如采用电流注入法、温度调制法、腔外光栅调制法或者腔外电光相位调制法等。H.Hiratsuka等人通过用光栅调制光源，使OFDR的分辨率达到了47，测量量程达到了1mm。集成光路诊断需要比层析技术更大的测量量程。Glomhitza等用磷化锢光波导结构得到了分辨率为50、测量范围为25mm的OFDR系统。当调制光源时，注入电流的变化、残余振幅调制和非线性频率调啾会使系统的分辨率变差。用频率均衡器可以使频率惆啾线性化，优化系统的分辨率，使系统的分辨率达到1mm，并使测量量程达到lm。光通信网络的诊断需要使用波长为1.3或1.55的光源，OFDR系统的测量量程必须大很多。Sorin等人用波长为1.32的ND:YAG激光器作为光源，得到了较长的相干长度，使测量范围达到了50km，实验中的分辨率达到了380m。Tsuji等人用波长为1.55的Er-Yb激光器作为光源，并使用了掺Er光纤放大器，得到了50m的分辨率，测量量程则达到了30km。随着光源调频技术的日益成熟，OFDR的分辨率得到了很大的提高。Y.Koshikiya等人运用SSB调制技术在量程大于5km时成功地得到cm量级的分辨率。4结束语在oFDR系统中，最为